Na początku było RNA - a może coś innego?

January Weiner

Core Unit for Bioinformatics, BIH@Charité

https://github.com/january3/sfn2023

4 miliardy lat temu ustało bombardowanie Ziemi przez meteoryty
Najstarsze ślady życia na Ziemi pochodzą mniej więcej z tego czasu

\(\rightarrow\) Życie powstało niemal “natychmiast”

Informacja genetyczna

Maszyneria komórkowa

Replikator:

musi być w stanie się replikować
musi być w stanie się mutować
tempo replikacji zależy od przenoszonej informacji

\(\rightarrow\) selekcja naturalna

One can contemplate an RNA world, containing only RNA molecules that serve to catalyze the synthesis of themselves…

Można rozważyć świat RNA, zawierający tylko cząsteczki RNA, które służą do katalizowania syntezy samych siebie…

Walter Gilbert, 1986

Źródło: “Jak powstało życie na Ziemi”

Źródło: PDB

Źródło: Cech, “The ribosome is a ribozyme”, Science 2000

Goromaru

Aminokwasy łączone bez użycia białek

Źródło: Kawabata et al. 2022

Powstanie RNA w warunkach prebiotycznych

Źródło: Benner et al. 2019

Podsumujmy:

RNA mogło powstać spontanicznie w warunkach prebiotycznych
RNA potrafi tworzyć złożone struktury
RNA potrafi katalizować przeróżne reakcje
RNA jest nośnikiem informacji genetycznej
RNA bierze udział w fundamentalnych procesach życiowych we wszystkich żywych organizmach, nie tylko jako mRNA
wiele kofaktorów enzymatycznych jest spowinowaconych z RNA (NAD, FAD, ATP, AcCoA, …)

…ale czy potrafi się replikować?

Źródło: Thjung et al. 2020

Problemy ze światem RNA

RNA jest niestabilne
polimerazy RNA zbudowane z RNA robią dużo błędów
RNA nie może tworzyć dużych struktur z hydrofobowym jądrem, bo jest polarne (wiązanie fosforowe)
Skąd wzięły się nukleotydy? (są dwie grupy naukowców…)
Jaka jest szansa na spontaniczne powstanie samoreplikującej się molekuły RNA?

Jak przejść z RNA na DNA?

Źródło: Dworkin et al. 2003

Paradoks Eigena

Manfred Eigen (1927-2019)

For optimal selection, the required precision of information transfer has to be adjusted to the amount of information to be transferred.

\(\rightarrow\) Im więcej informacji, tym mniejsza musi być częstość mutacji

COSMIC-LOPER

Capable of Surviving Modifications in Constitution

without Loss of Properties Essential for Replication

Nośnik, który:

poddaje się replikacji
jest odporny na mutacje

Jakie alternatywy?

DNAzymy

Inne polimery

PNA: peptydowa szkielet zamiast cukrowego
LNA: dodatkowe wiązanie stabilizuje cząstkę cukru
TNA: treoza (czterowęglowy cukier) zamiast rybozy (pięciowęglowy cukier)

A może coś zupełnie innego?

Źródło: Francis 2011

Jeśli istniał świat RNA, to dlaczego już go nie ma?

Na koniec…

Czego jesteśmy (prawie) pewni:

Przed “naszym” światem był jakiś świat RNA - jego pozostałości są obecne w każdej komórce
RNA najprawdopodobniej jest w stanie się replikować i syntetyzować białka

Czego nie wiemy:

Czy przed światem żywym był świat RNA, RNA + białka, RNA + DNA?
Czy przed światem RNA był jakiś inny?
Co oprócz naszego przodka (LUCA) istniało na Ziemi?

Czego nigdy się nie dowiemy: JAK POWSTAŁO ŻYCIE